引黃入晉出水口超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)率定研

張永剛

（山西省萬(wàn)家寨引黃工程管理局 太原 030012）

1 引言

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程位于山西省西北部，從萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，經(jīng)總干線、南干線向太原供水。總干線由三級(jí)泵站提水，線路長(zhǎng)44km,輸水至下土寨分水閘；南干線由二級(jí)泵站提水，線路長(zhǎng)102km，輸水至頭馬營(yíng)明渠出水口，一期工程5座泵站均已安裝了3臺(tái)水泵機(jī)組，其中2臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用，設(shè)計(jì)流量12.9m3/s；二期工程最終設(shè)計(jì)流量25.8m3/s，各泵站再增加安裝其余水泵機(jī)組。

2 現(xiàn)場(chǎng)永久超聲波流量計(jì)率定目的

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)安裝在現(xiàn)場(chǎng)的永久超聲波流量計(jì)率定還無(wú)統(tǒng)一規(guī)范。我們應(yīng)用水力學(xué)方法對(duì)萬(wàn)家寨引黃入晉頭馬營(yíng)明渠出水口的永久超聲波流量計(jì)進(jìn)行率定，為輸水運(yùn)行中水量平衡和計(jì)量提供依據(jù)；出水口安裝的永久超聲波流量計(jì)所監(jiān)測(cè)的流量值由計(jì)算機(jī)自動(dòng)通信傳輸系統(tǒng)直接傳至太原調(diào)度中心。通過(guò)與量測(cè)超聲波流量計(jì)的測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，可判斷傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。出水口還臨時(shí)修建了梯形薄壁堰，通過(guò)量測(cè)超聲波流量計(jì)的測(cè)值可推算其流量系數(shù)。

3 率定的依據(jù)和要求

3.1 依據(jù)

在現(xiàn)場(chǎng)率定主要依據(jù)《水泵流量測(cè)定方法》（GB3214—1991）、《泵站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》（SD140—1985）和《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（IEC60041—1991）等實(shí)施。

3.2 要求

在率定前先對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的量測(cè)超聲波流量計(jì)的液位變送器精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室檢定，允許誤差為±0.5%；用于現(xiàn)場(chǎng)明渠量測(cè)的允許誤差為±2%。

4 率定方法及使用儀器

根據(jù)頭馬營(yíng)明渠出水口現(xiàn)場(chǎng)控制斷面的實(shí)際情況，用于量測(cè)的超聲波流量計(jì)（型號(hào)：7510—P8，美國(guó)產(chǎn)、四聲路）量測(cè)時(shí)可保證聲路系統(tǒng)均在工作狀態(tài)，安設(shè)位置距上游直線段大于20m；距永久安裝的超聲波流量計(jì)（型號(hào)：ACCUSONIC7500，美國(guó)產(chǎn)、四聲路）約80m，下游直線段距離大于10m，距臨時(shí)修建的梯形薄壁堰約100m，均滿足規(guī)范要求。

換能器安裝位置按照量測(cè)超聲波流量計(jì)使用要求布置，測(cè)流斷面寬度、聲路長(zhǎng)度、換能器安裝位置等均采用鋼卷尺測(cè)定；聲路角度采用萬(wàn)能角尺測(cè)定。

測(cè)流斷面水深采用液位變送器（型號(hào)：PM—90，中國(guó)產(chǎn)）測(cè)量，為適應(yīng)渠道輸水時(shí)因流量變化引起的水位變化，及時(shí)調(diào)整了換能器的安裝位置。方法是在量測(cè)斷面兩側(cè)邊壁上安裝了換能器支架和升降活動(dòng)軌道，使換能器可隨水位變化在支架上升降，提高了量測(cè)精度。

5 現(xiàn)場(chǎng)率定的情況說(shuō)明

5.1 量測(cè)流量數(shù)據(jù)

量測(cè)超聲波流量計(jì)瞬時(shí)流量的顯示可根據(jù)要求設(shè)置，本次量測(cè)設(shè)置時(shí)間間隔為2s，量測(cè)流量數(shù)值采用規(guī)定時(shí)間段所有瞬時(shí)流量測(cè)值的算術(shù)平均值。

5.2 量測(cè)規(guī)定時(shí)段

量測(cè)流量過(guò)程均選擇渠道水流相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段進(jìn)行，規(guī)定按整點(diǎn)時(shí)間段（1h、2h等）記錄并計(jì)算算術(shù)平均值。

5.3 量測(cè)工況選擇

分別選擇在水泵單機(jī)和雙機(jī)兩種工況運(yùn)行時(shí)進(jìn)行，由于在兩種工況下渠道水位變化較大，及時(shí)調(diào)整換能器的安裝位置，以保證量測(cè)超聲波流量計(jì)量測(cè)值精度。

5.4 量測(cè)值與永久超聲波流量計(jì)比對(duì)

比對(duì)時(shí)選擇渠道水流相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段，為減小誤差，比對(duì)時(shí)采用同步、同時(shí)段實(shí)時(shí)量測(cè)兩段面的流量測(cè)值。并同時(shí)調(diào)取太原調(diào)度中心計(jì)算機(jī)自動(dòng)通信傳輸系統(tǒng)的顯示數(shù)據(jù)，比對(duì)結(jié)果詳見(jiàn)表1（單機(jī)運(yùn)行）和表2（雙機(jī)運(yùn)行）。

從表1和表2可以看出：量測(cè)超聲波流量計(jì)均值分別為6.682m3/s和12.456m3/s；永久超聲波流量計(jì)顯示均值分別為6.350m3/s和12.156m3/s。

表1 頭馬營(yíng)出口明渠水力量測(cè)比對(duì)結(jié)果（第一天單機(jī)運(yùn)行）

表2 頭馬營(yíng)出口明渠水力量測(cè)比對(duì)結(jié)果（第二天雙機(jī)運(yùn)行）

6 梯形薄壁堰

頭馬營(yíng)出水口是引黃一期工程輸水建筑物流量的關(guān)鍵控制斷面，對(duì)出水口流量的監(jiān)測(cè)至關(guān)重要，因此，依據(jù)《堰槽測(cè)流規(guī)范》（SL24—1991）修建了梯形薄壁堰流量量測(cè)設(shè)施（以備永久超聲波流量計(jì)發(fā)生故障時(shí)使用）。

6.1 堰上水頭量測(cè)

依據(jù)《水位觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ138—1990）對(duì)堰上水頭進(jìn)行量測(cè)，在梯形薄壁堰堰口兩側(cè)安裝有水尺，兩水尺最小刻度均為1cm，每次讀取3組數(shù)據(jù)，取其算術(shù)平均值作為堰上水頭的量測(cè)值，水位量測(cè)精度誤差為±0.5cm。

6.2 梯形薄壁堰流量系數(shù)

經(jīng)量測(cè)梯形薄壁堰堰口寬度B為5.995m，堰底高程為1480.453m，堰上水頭零點(diǎn)高程為1480.453m，與堰底齊平，堰后為自由出流，過(guò)堰流量采用西坡列梯（Cippoletti）公式計(jì)算：

式中M——流量系數(shù)；

B——堰口寬度，取=5.995m；

h——堰上水頭，由實(shí)測(cè)而得。

過(guò)堰流量可采用量測(cè)超聲波流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)得，故梯形薄壁堰流量系數(shù)可按下式計(jì)算：

式中符號(hào)意義同式（1）。

流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1（其值為1.878）和表2（其值為1.869）。

6.3 梯形薄壁堰流量系數(shù)實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

頭馬營(yíng)梯形薄壁堰流量系數(shù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)還進(jìn)行了3個(gè)不同比尺模型測(cè)驗(yàn)值試驗(yàn)，經(jīng)擬合求得為1.862，與現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)原型量測(cè)值相差0.016，與雙機(jī)運(yùn)行原型量測(cè)值相差0.0007，都比較接近。

7 結(jié)語(yǔ)

在輸水建筑物上實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)永久超聲波流量計(jì)率定是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，在引黃一期工程頭馬營(yíng)明渠出水口做了試驗(yàn)，取得了較好的效果，按照測(cè)試規(guī)范及儀器使用要求和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)梯形薄壁堰流量系數(shù)模型測(cè)驗(yàn)值試驗(yàn)結(jié)果，量測(cè)超聲波流量計(jì)流量值精度達(dá)到了允許誤差范圍（±2%）。

在量測(cè)流量的過(guò)程中，選擇水流相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)段對(duì)梯形薄壁堰流量系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定；對(duì)永久超聲波流量計(jì)進(jìn)行了率定，單機(jī)運(yùn)行時(shí)顯示的流量值偏小約4.9%，大于2%的允許誤差；分析其原因，是由于永久超聲波流量計(jì)安裝位置渠道斷面的最終設(shè)計(jì)流量為25.8m3/s，單機(jī)運(yùn)行時(shí)只達(dá)到最終設(shè)計(jì)值的26%，使得永久超聲波流量計(jì)的4個(gè)聲路系統(tǒng)未能全部投入工作所致。雙機(jī)運(yùn)行時(shí)達(dá)到最終設(shè)計(jì)值的48%，顯示的量測(cè)流量值仍偏小2.2%，都未達(dá)到允許誤差2%。根據(jù)率定結(jié)果對(duì)永久超聲波流量計(jì)內(nèi)設(shè)參數(shù)重新進(jìn)行了調(diào)整，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)明渠量測(cè)的允許誤差范圍（±2%）。

現(xiàn)場(chǎng)永久超聲波流量計(jì)率定結(jié)果顯示：引黃一期工程輸水建筑物運(yùn)行較為穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)所得水力學(xué)參數(shù)為今后經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理和安全供水提供了有價(jià)值的借鑒資料，可供有關(guān)設(shè)計(jì)，運(yùn)行研究參考。